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Spurensuche in altem Erbgut
Ein Besuch bei der Bioarchäologin Valentina Coia im Labor für alte DNA
Wie unterschieden sich die Bewohner der Südtiroler Täler im Frühmittelalter genetisch? In alter DNA, die aus Dutzenden von Skeletten gewonnen wurde, suchen Forschungsteams von Eurac Research nach Antworten. Eine Arbeit, die Geduld und Kraft erfordert.
Das Geräusch des Bohrers ist kaum zu hören. Die dicken Glasscheiben, durch die man ins Labor hineinschauen kann, verschlucken den Schall. Doch die Anstrengung, mit der die Biologin Valentina Coia den Schleifkopf gegen den gelblichen Schädel presst, ist offensichtlich. Das Labor betreten dürfen Besucher nicht: Sie könnten die Fundstücke kontaminieren. Coia trägt einen Schutzanzug, Handschuhe, Gesichtsmaske, Schutzbrille. Als sie aus dem Labor kommt, massiert sie sich den rechten Arm. „Es ist anstrengender, als es aussieht. Das Schläfenbein ist sehr hart, aber was will man machen: Dort ist die beste DNA zu finden!“
Credit: Eurac ResearchWie alte DNA extrahiert wird
Es ist alte DNA, nach der Coia in den Laboren von Eurac Research sucht, nachdem sie jahrelang an den Universitäten von Rom und Trient forschte: Erbgut von jahrhundertealten Skeletten. Diese DNA ist mit dem Erbmaterial von Mikroorganismen verunreinigt und beschädigt durch chemische Prozesse, die nach dem Tod einsetzen. Hier kommt man nicht weiter mit Tests, wie jeder sie mittlerweile online bestellen kann, um anhand eines Speicheltropfens herauszufinden, woher seine Vorfahren stammen. Aus einem Skelett ausreichend endogene, also von diesem spezifischen Individuum stammende DNA für die Analyse zu isolieren, ist alles andere als einfach.
Das Felsenbein ist ein sicherer Tresor für unsere DNA: Es ist schon vor der Geburt vollständig ausgebildet und verändert sich im Lauf des Lebens kaum.
Die DNA kann aus Zähnen, Oberschenkelknochen oder Schienbein gewonnen werden. Am erfolgversprechendsten aber ist das Schläfenbein, genauer gesagt, jener Teil des Schläfenbeins, der Felsenbein genannt wird. Dieser pyramidenähnliche kleine Vorsprung, der in den Innenraum des Schädels ragt und Gehör- und Gleichgewichtsorgan schützend umgibt, ist der härteste, widerstandsfähigste Knochen des Körpers. Schon vor der Geburt ist er vollständig ausgebildet und er verändert sich im Lauf des Lebens kaum. Auch über Jahrhunderte hinweg ist unsere DNA hier sicher verwahrt.
Von ihren Forscherkolleginnen, die die Skelettreste aus den Ausgrabungen zuerst morphologisch untersuchen, erhält Coia die Felsenbeine manchmal schon vom Schädel getrennt. Wenn nicht, führt die Forscherin die Hand von unten in den Schädel ein und tastet nach dem Vorsprung; dann bohrt sie ein feines, etwa ein Zentimeter tiefes Loch.
Eine Probe zu entnehmen kann bis zu 20 Minuten dauern.
Das kann pro Schädel bis zu zwanzig Minuten dauern, und nicht immer reicht es, um die nötigen 100 bis 200 Milligramm Knochenpulver zu gewinnen. „Es ist schon vorgekommen, dass ich die Prozedur wiederholen musste, weil die Probe sich als verunreinigt herausgestellt hat oder die Ergebnisse mich nicht zufriedenstellten”, berichtet Coia. „Man braucht wirklich sehr viel Geduld.”
Hat Coia die DNA aus dem Knochenpulver extrahiert, sequenziert sie das Genom mithilfe modernster molekularbiologischer Verfahren (next generation sequencing). Bioinformatische Analysen dienen ihr zunächst einmal dazu, die genetischen Rohdaten von wertloser Information zu trennen. Unzählige Male wird die DNA dann ausgelesen, um die erhalten gebliebenen Fragmente nach der menschlichen Standardsequenz anzuordnen. DNA, die nicht menschlichen Ursprungs ist, wird entfernt, und die Verunreinigung mit modernem menschlichem Erbmaterial wird abgeschätzt. Liegt sie unterhalb von fünf Prozent, können die Forscher aus der Probe zuverlässige Aussagen gewinnen. Haben die Wissenschaftler dann die Daten, gesäubert und geordnet, beginnt der schöne Teil ihrer Arbeit: Die Suche nach Antworten.
Ziele der Paläogenetik
Die Paläogenetik ist eine relativ junge Forschungsdisziplin; die ersten Studien stammen aus den 1980er Jahren. Und auch wenn das Genom von Ötzi kaum mehr Geheimnisse birgt und einige prähistorische Epochen wie die Jungsteinzeit schon lange erforscht werden, wissen wir über andere Populationen wenig. So zum Beispiel über die Alpenbewohner im Frühmittelalter. Teilweise hat die Archäologie rekonstruiert, wie man damals lebte, auch auf dem Gebiet des heutigen Südtirols. Aber welche genetischen Unterschiede gab es – falls es sie gab – zwischen den Bewohnern entfernter Täler wie dem Eisacktal und dem Vinschgau? Die Region war in jener Zeit außerdem von großen Wanderbewegungen quer durch Europa betroffen. Franken und Bajuwaren kamen aus Nordwesten, Langobarden aus dem Süden, Slawen von Osten. Bei Ausgrabungen in Burgeis zum Beispiel fanden die Archäologen in einem Grab einen Gürtel aus Messing und Silber wie er als Grabbeigabe bei für die Stämme Süddeutschlands typisch war. Aber über diese kulturellen Einflüsse hinaus – wie haben die durchziehenden Völker die einheimischen Populationen biologisch verändert? Können Genanalysen bestätigen, dass in den Gräbern Menschen liegen, die anderswo geboren wurden?
Mit diesen Fragen wertet Valentina Coia Dutzende Gigabyte genetischer Daten aus. Bevor sie jedoch wissenschaftliche Schlüsse ziehen kann, hat sie noch einige Mühe vor sich: „Wir wollen die Daten von etwa 120 Individuen sammeln, und ich muss noch mindestens 30 Skelette beproben, vor allem aus den östlichen Tälern.” Und ohne es zu bemerken, massiert sie sich den Arm.
Die Studie BioArchEM
Die Studie BioArchEM
Koordiniert von Valentina Coia analysiert ein multidisziplinäres Team des Instituts für Mumienforschung von Eurac Research in Zusammenarbeit mit dem Amt für Denkmalschutz hunderte menschliche Skelettreste aus 12 archäologischen Fundstätten im Eisacktal, Pustertal, Vinschgau und in der Umgebung von Meran. Die Skelette stammen aus der Zeit zwischen 400 und 1000 n.Chr.
Bisher haben die Anthropologen die Skelette von 165 Menschen rekonstruiert und ihr Geschlecht, Todesalter und biologisches Profil bestimmt. Zudem wählen sie die Knochenproben für die DNA-Analyse aus. Die anthropologischen und genetischen Untersuchungen werden ergänzt durch Isotopenanalysen in Zusammenarbeit mit der Universität Bern. Diese Analysen menschlicher und tierischer Skelettproben geben Aufschluss über Ernährungsgewohnheiten und können dazu beitragen, die Herkunft eines Individuums zu klären.
Ziel der Studie BioArchEM ist es, die genetische Beziehung zwischen den Bewohnern verschiedener Täler im Frühmittelalter zu erhellen. Aus dem Vergleich mit modernen genetischen Daten ist es dann möglich, eventuelle Verwandtschaften zu erkennen und festzustellen, inwieweit die lokalen Populationen nicht nur kulturell, sondern auch biologisch von den slawischen und germanischen Wanderbewegungen jener Zeit beeinflusst wurden.
Die Studie wird von der Autonomen Provinz Bozen im Rahmen des Landesgesetzes Nr. 14 zur Förderung von Innovation und Forschung finanziert.